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과제기본정보

CO2-NO 동시 저감용 고기능성 제올라이트-광촉매 건축재료 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C163795-02
국가과학표준분류 1순위 에너지·자원 | None | None 적용분야 환경
2순위 에너지·자원 | 석탄생산시스템 | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 에너지·자원 | None | None 과제유형 기초
과제명 CO2-NO 동시 저감용 고기능성 제올라이트-광촉매 건축재료 개발
주관연구기관 광주과학기술원
총괄연구 책임자 성명 강성봉
소속 광주과학기술원 직위 조교수
기관 대표번호 062-715-2436 FAX 062-715-2584
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 0 0 0 210,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 - 본 연구는 온실가스?미세먼지 저감 인프라 구축을 위하여 다공성 물질 (제올라이트)을 이용한 온실가스(CO2)의 흡착 및 가시광선에 의한 Quantum-dot(QD) 활성화로 인한 미세먼지 유발 가스 (NO)의 제거가 동시에 가능한 친환경 제올라이트-나노광촉매 복합 건축 소재를 개발하고 공기질 개선을 목표로 함.
- 제올라이트-Quantum dot 광촉매 복합 재료 개발을 위한 원천 소재 기술 연구 및 실제 공기 중에 (ambient air) 포함되어 있는 CO2 (300~400 ppm) 및 NO 농도 (200 ppm: 배출원 극한 환경)를 동시에 모사할 수 있는 laminar flow 반응기 구축을 통해 실제 개발된 건축용 재료의 CO2-NOx 동시 저감 성능 구현을 통해 응용기술 연구를 동시에 수행 예정.
- 본 과제는 총 2년의 연구 기간을 책정하였고, 1차년: 제올라이트 & QD 나노광촉매 요소 물질 개발 및 CO2 / NO 제거 가능성 확인, 2차년: 복합소재 개발 및 CO2-NO 동시 제거 성능 극대화를 각 연차별 목표로 설정함.
- 본 연구팀은 촉매 표면 반응 분석-광민감성 소재-제올라이트 다공성 물질의 전문성을 보유한 광주과학기술원-원광대-울산대 연구진으로 구성되어 요소 물질 개발-복합소재 기술-저감 반응 기술의 유기적인 공동 연구를 통해 본 과제의 최종목표인 고기능성 건축재료 개발을 성공적으로 달성하고자 함.
최종목표 본 연구의 최종 목표는 친환경 녹색 도시 조성 및 삶의 질 개선을 위해, 시멘트 대체용 친환경 CO2 흡착 및 가시광선에 의해 NO 제거가 가능한 친환경 제올라이트-나노 광촉매 복합 건축 소재 개발을 목표로 함.

세부 목표:
- CO2 흡착 및 NO 제거를 위한 제올라이트-나노광촉매 성능 및 특성 평가
- 가시광 광 감응성 친환경 나노광촉매 개발
- CO2 흡착 가능한 제올라이트 소재 개발
- 제올라이트-나노 광촉매 복합 건축 소재 개발
연구내용 및 범위 * 주관연구개발기관(광주과학기술원) :
■ 제올라이트-나노광촉매 성능 평가 시스템 구축
- 제올라이트-나노광촉매의 CO2 흡착 및 NOx 저감 성능 평가를 위한 반응기 구축 (광원 설치 및 농도 측정 시스템 구축)
■ 제올라이트-나노광촉매 성능 및 물리?화학적 특성 평가
- 제올라이트의 CO2 흡착 성능 평가 (CO2 최대 흡착량 및 안정성 평가) 및 나노광촉매의 NO 저감 성능 평가 (NO 저감 효율 및 선택도 평가)
- TPD, TPR, TPO 등 촉매 흡착?탈착?환원?산화 특성 평가 진행
■ 표면 개질에 따른 CO2와 NO의 표면 흡착 메커니즘 규명
- 계산 화학, 주사터널링현미경 및 상압광전자분광법을 통해 오염원의 흡착 형태와 흡착 에너지 규명
- 주사터널링현미경 및 상압광전자분광법을 통합 미세먼지 농도에 따른 흡착 과정의 kinetics 연구
■ 제올라이트-나노광촉매 복합체의 성능 평가 및 특성 평가
- 촉매의 성능 평가 및 물리?화학적 특성 평가를 통한 촉매 복합체 조성 최적화
■ 제올라이트-나노광촉매 표면 활성 및 비활성화 메커니즘 규명
- 촉매 표면 분석을 통한 촉매 표면 화학 분석 (활성 및 비활성화 메커니즘 규명)
■ 나노광촉매 표면에서의 NO의 광분해 반응 메커니즘 규명
- 광입사 주사터널링현미경 연구를 위한 모델 기판 합성법 개발과 분자 수준에서 광분해 반응의 메커니즘 규명

* 공동연구개발기관(원광대학교) :
■ 가시광 감응형 미세먼지 광분해 나노촉매 구조설계
- 가시광 빛에 민감하게 반응하는 나노광촉매 구조설계
- 도핑을 통한 광여기 전하 제어특성 및 광촉매 성능 및 내구성 향상 기술 확보
■ CO2 흡착 및 NO 분해 특성 최적화 및 유색 건축자재 기술 개발
- 미세먼지 표적 물질 도입으로 미세먼지 흡착기술 확보 및 촉매 선택성/광분해 효율 향상
- 제올라이트-나노광촉매 복합체 개발
- 콜로이드 나노촉매 용해도 제어를 통한 제올라이트-나노광촉매 건축 소재화 기술 확보


* 공동연구개발기관(울산대학교) :
■ 표면개질 zeolite의 이산화탄소 포집 특성 분석
- 제올라이트의 표면 개질 성분 및 정량에 따른 이산화탄소 포집 분석 연구
■ 광원의 파장 및 조도에 따른 건축 소재의 NO 저감 광분해 활성 연구
- 광원의 파장 및 조도 의한 광분해 활성 변화 분석
■ 광촉매 건축 소재 NO 저감 효과 극대화를 위한 조건 탐색 및 데이터화
- 광촉매 건축 소재의 표면 개질 및 구성 조성비에 의한 광분해 활성 분석 및 최적의 광촉매 활성 조건 탐색
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 제올라이트-나노광촉매 표면 CO2 흡착 및 NO 분해 특성 연구 - 차세대 친환경 건축 소재 평가를 위한 광민감성 Laminar flow 반응 시스템 평가
- NOx 저감이 가능한 나노광촉매 구조설계 및 광촉매 성능향상 기술 확보
- CO2 흡착 최적화를 위한 제올라이트 표면개질 기술 개발
- 저감 효율 및 특성 평가를 통한 촉매 흡착 메커니즘 및 흡착?탈착?환원?산화 특성 규명
연구성과 기술적 기대성과 화석연료에 의한 온실가스 제거 및 미세먼지 원인물질인 질소산화물과 저감에 광촉매 적용기술에 실질적으로 적용 가능할 것으로 기대됨.
- 특히 도로구조물에 광촉매 기술을 도입할 경우 자동차에서 배출되는 유해가스를 직접적으로 흡착 및 제거하여 대기오염방지에 상당히 효과적임.
- 또한, 매연, 휘발성 유기화합물(VOC : Volatile Organic Compounds), 다이옥신의 제거, 수질 정화가 가능하고 대기 중의 NOx, 미세먼지 등에 광촉매의 제거효율이 높음.
- 광촉매의 뛰어난 산화?환원력은 가정용, 산업용으로 다양한 활용도를 가질 수 있으며, 국민들의 삶의 질에 밀접한 영향을 미치는 주거시설의 새집증후군 유발물질 감소, 항균, 탈취 등 공기질 개선에 크게 기여할 것으로 예상됨.
- 벽지, 천정재, 실내 마감재 등의 건축내장재에 광촉매를 적용하면 공기질 개선 및 항균 능력 증진 효과는 공공기관, 숙박시설, 상업시설 등 생활환경 전반에 확대가 가능할 것으로 기대됨.
- ‘다중이용시설 등의 실내공기질관리법’이 국무회의에서 의결되어 2016년 12월부터 시행예정이며, 새집증후군 및 환경성 질환 유발물질인 휘발성 유기화합물질에 의한 문제를 근본적으로 해결할 기술적 수단으로 기대됨.
- 광촉매 재료 및 건설자재에 관한 기술 표준화 확립은 국내뿐만 아니라 국외에서도 광촉매 성능의 우수성을 인정받을 수 있어, 광촉매 재료 및 건설자재의 수출도 충분히 가능하며, 전 세계적으로 광촉매 재료 및 건설자재 분야에서의 리더가 될 수 있는 초석이 될 것으로 보임.
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 대기오염으로 인한 사회적인 비용이 연간 2조 6천억 원 이상이 발생하고 있으며, 이 중에서 질소산화물에 의한 영향이 약 1조 3천억 원에 달하므로 기술적용의 경제적 효과는 1조 원 이상으로 기대됨.
- 2013년 현재 중국의 공기정화기 시장은 6,100억 원으로 조사되었으며, 매년 약 7.5%의 성장률을 보이는 것으로 보고되고 있음. 추후 대부분의 공기정화기 제조기술에 본 기술이 적용될 수 있음.
- 국내 공기청정기 시장 규모는 지난해 3천억 원에서 올해 5천억 원에 이를 것으로 예상되며, 보급률은 약 20%에 이를 것으로 보고되고 있음.
- 2013년 현재 서울시 도심 터널 세척비용으로 약 8억 원의 비용을 지출하고 있으며, 이러한 비용은 주로 미세먼지와 자동차에서 배출되는 오염원에 의한 것임.
- 대부분 해외 기술에 의존하고 있는 환경산업 원천기술에 대한 우위를 확보하여 해외에서 수입되는 재료의 수입대체 효과를 기대할 수 있으며, 나아가 개발된 기술 및 재료의 해외수출 전망도 높음.

○ 사회적 측면
- 환경부에서는 2016년 7월 1일 ‘미세먼지 특별대책 세부이행계획’을 발표하면서 미세먼지 주범으로 노후경유차를 꼽은 바 있고, 또한 석탄 화력발전소의 배출가스도 미세먼지의 주요 요인으로 꼽혀 발전소 확충 장기계획에서 석탄 화력발전소를 계속 늘리기는 어려운 상황임.
- 이러한 배출가스는 대기 중에서 2차 화학작용을 거쳐 미세먼지로 변하며, 미세먼지는 세계보건기구(WHO) 1군 발암물질로 분류된 인체 유해 물질로서 입자가 매우 작아 인체에 흡수되어 기도, 폐, 심혈관, 뇌 등 우리 몸의 각 기관에 각종 호흡기 질환과 순환기계 질환을 유발하여 사망률을 높이는 요인임.
- 2016년 9월 27일 세계보건기구(WHO)의 발표에 따르면 세계적으로 대기오염으로 인해 연간 최대 650만 명이 사망하며, 우리나라도 대기오염으로 인해 인구 100,000명당 21~40명이 사망하는 고준위 국가에 속함.
- 미세먼지 전구물질인 질소산화물과 황산화물의 경우 광촉매 물질과 자외선 및 가시광선의 반응에 의해 분해되며 이로 인해 오염물질의 농도를 실내실험에서 70%까지 저감 가능.
- 질소산화물과 황산화물이 미세먼지 등의 2차 대기오염물질들로 생성되는 과정의 효과적인 차단을 위해서는 가능하면 발생지에서 집중 저감시키는 것이 중요.
- 광촉매 적용 시설물을 발생지 주변에 집중 보급하여 배출가스와 오염물질을 광분해 제거한다면 미세먼지 발생 저감으로 국민들의 건강이 크게 증진될 것으로 기대됨.
- 높은 미세먼지 농도는 막대한 사회적 비용을 발생시킴. OECD(2014)에서 추산한 대기오염 비용에 따르면 2005년에서 2010년 사이 실외 대기오염으로 인한 경제 손실은 연간 3,500조 원 이상으로 추정하였음. 따라서 미세먼지 관리를 환경규제로 인식하기보다는 사회적 비용을 줄이는 투자로 인정하여 정책변화를 꾀할 필요가 있음.
- 대기오염을 저감시키는 것은 예상되는 질병을 예방하여 질병으로 인한 진료비 등 사회적 비용을 감소시키고, 종국적으로는 대기 질을 개선시켜 쾌적한 생활환경 조성을 통한 삶의 질을 향상시킬 수 있음.
활용방안 - 최종 TRL4 수준의 기초연구를 통해 다양한 온실가스 및 미세먼지 저감용 건축 소재 개발에 응용 가능
- 실제 건축자재에 적용 가능성 확보를 통해 도로시설물 및 주거 건축물 제조에 활용하여 친환경 녹색 도시 조성 및 국민의 삶의 질 개선
- 가시광을 직접 활용한 광촉매 유해 물질 제거기술의 혁신 기술 제시
- 원천기술 확보를 통해 건축 소재 산업의 활성화 및 공기질 개선 기여
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 이산화탄소 질소산화물 제올라이트 나노광촉매 친환경 건축재료
영문 Carbon dioxide Nitrogen oxide Zeolite Nano-photocatalyst Eco-materials
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